材料具有机械能与电能转换能力，当压电材料两端发生运动、振动、冲击的时候，可以使机械能转换为电能，因此采用自供能技术提取、存储压电效应捕获的振动能开发成功，它将为未来生产无需电池和人力维护的无线网络以及远程监控设备提供强有力的技术支持，并可直接用于医疗监护（人体发电驱动的医疗监护系统），电信（无需电池的无线传感网络），消费电子（超长使用时间的数码产品），交通运输（用于汽车和航空器的无电池无线传感网络）等诸多密切关系人们生活、社会保障乃至国家安全的重要领域[2-4]。如何利用压电材料回收能量是一个迫切需要解决的问题[5-6]。论文围绕压电微振动能量捕获装置设计、能量回收效率及其稳定性问题开展了实验研究，设计开发了一套微振动能量回收装置，对回收性能进行了测试评价。
1 微振动能量回收装置的实验原理
能量回收系统主要包括一个振动源、微振动能量捕获悬臂梁、一个LED演示灯（或自供电传感器）。在试验研究中，悬臂梁基板的尺寸优化设计为660mm*30mm*3mm，在悬臂梁压电振子结构中，悬臂梁的一端固定，另一端边界条件机械自由。根据压电学理论，当悬臂梁受到载荷作用时，梁弯曲变形引起压电振子表面应力和应变变化，并产生一定数量电荷。分布式压电能量回收悬臂梁如图1所示。
图1悬臂梁压电振子的边界条件为机械自由和电学短路。压电陶瓷片采用PZT-5H，其材料参数：密度？籽p=7.6×103kg/m3，弹性模量1.06×1010Pa，介电常数矩阵（？着×10-9
F/m）、压电应力常数矩阵（e×C/m2）和压电弹性刚度常数矩阵（c×1010N/m2）。
为进一步优化分布式压电振子优化布置，利用ANSYS软件对压电振子进行静力学分析，选用压电耦合分析模块SOLID5单元，压电悬臂梁的边界条件为一端全约束，另一端机械自由，在自由端施加1000N的外力，改变压电振子的几何尺寸，分析它们对输出电压的影响。数值仿真结果证实压电片越靠近约束端，其电压分布越高，这是因为悬臂梁弯曲时约束端所受应力越大，而压电片的输出电压值是与应变成正比。
图2可以看出压电振子受力变形时，在一定范围内输出电压随长度的增加而增加。这是因为压电振子的长度越长，它受到激励弯曲变形时产生的力矩越大，压电材料受到应变越大，故产生的电压越大。
分布式压电能量回收实验测试系统如图3所示，包括有图1的悬臂梁压电振子、激振器、储能装置以及夹具和底座。其中，激振器固定在底座上，激振器上连接有调压器，能调节激振器的振动幅值；储能电能装置固定在底座上；底座的一端固定有支架；悬臂梁一端固定在支架上。开发的微振动能量回收实验系统首先利用导电胶将压电陶瓷PZT-5H粘贴于基板上，基板的材料为磷青铜。将粘贴好的悬臂梁压电振子的固定端用螺钉固定在底座上，自由端面布置激振器支撑杆。实验中，通过调节连接于调压器输入端的信号发生器，产生典型的输入信号，包括正弦波、三角波和冲击波等，激励悬臂梁压电振子产生不同运动形式。实验测试实物装置如图4所示。实验所用仪器有：任意波形发生器（TEK tronix AFG3021B），重庆大学测试中心振动信号分析仪（QLVC-ZSA1），功率放大器（SINOCERAYES872），激振器 （JZK-5），示波器（TEK tronix TDS3014B）组成。由任意波形发生器输出正弦信号，经功率放大器放大信号后激励激振器的振动；在合适的振动输入下，悬臂梁压电振子输出正弦交流电压；由示波器进行输出电信号的检测，由振动信号分析仪分析测量输入的激振加速度。
2 实验研究
2.1 分布式压电片串、并联连接对比试验
测试分析了相同尺寸的三个压电陶瓷片串联和三个压电陶瓷片并联形式的输出电压、电流波形，图5三片60mm*30mm*0.3mm规格的并联压电陶瓷片连接。
在外界激励条件相同的条件下，压电陶瓷片串联和压电陶瓷片并联三片两端的输出电压、电流如图6、图7所示，并联陶瓷片产生的电压幅值为5.2V，串联陶瓷片产生的电压幅值为6.5V；并联三陶瓷片产生的电流幅值为30mA，串联三陶瓷片产生的电流幅值为24mA。
对比图6、图7，多片压电陶瓷并联和串联实验结果发现，并联可以提高压电振子输出的电流，串联可以提高压电振子的输出电压，为后面转换提供足够的功率。
2.2 不同振动频率下的压电试验
实验证实当悬臂梁压电振子的模态频率与外部干扰激励振动频率一致时即产生共振，振动幅值急剧增加，压电振子机械应变达到最大，压电振子的发电效果也达最佳。实验验证了在输入不同频率激励下，记录压电振子的输出电压值的变化，记录结果如表1所示。
实验选择了5-55Hz之间频率范围24组数据，并基于表1试验数据，拟合了外部激振频率与压电振子捕获能量电压关系曲线，如图8所示。
图8可见，悬臂梁压电振子的输出电压随输入频率的增大而增大，激振频率38.2Hz时，压电振子输出电压值达到8.5；输入频率继续增大时，压电振子的输出电压逐渐减小，能量捕获效率在悬臂梁压电振子的一阶固有频率值38Hz时取得最大值。实验证明，悬臂梁压电振子的振动发电过程中，输入的振动频率值和悬臂梁压电振子的固有频率值越接近时，压电振子的发电效果越好。
2.3 集中质量对发电效果的研究
为提高能量捕获效率，在悬臂梁自由端粘贴集中质量块，测试了集中质量环境下的低频小幅度振动试验时压电振子的能量捕获效率。实验数据表明悬臂梁自由端集中质量大小对悬臂梁压电振子的固有频率和输出电压产生较大影响。表2给出了不同集中质量下压电振子固有频率、捕获电压。表2给出的固有频率均由模态试验测试，能量捕获实验中外部激振频率针对性设置为不同集中质量下分布式压电振子固有频率。
图9给出了集中质量块与悬臂梁压电振子一阶周有频率的关系图和质量块的质量与悬臂梁压电振子电压的关系图。
由图9，附加集中质量块的悬臂梁式压电振子受激励振动时，在一定范围内一阶固有频率随质量块质量的增加而减小。这是因为质量块能有效降低悬臂梁振子的谐振动，质量块的位置越靠近自由端，降低效果越明显；同时质量块的质量越大，降低效果越明显；当然，增加质量块的质量同样会增加悬臂梁自由端的负荷，质量块的质量过大，必然会引起悬臂梁大幅度弯曲，甚至会使悬臂梁发生断裂。因此，选用适当的质量块能够有效调节悬臂梁压电振子的固有频率，对研究和设计振动能量收集技术有重要意义。
3 实验结论
经过试验分析，悬臂梁压电振子的振动发电过程中，输入的振动频率值和悬臂梁压电振子的固有频率值越接近时，压电振子的发电效果越好。并且选用适当的质量块能够有效调节悬臂梁压电振子的固有频率，在低频小幅振动环境下能有效改善悬臂梁压电振子的发电效果。通过陶瓷片之间的串联电路提高回收电量的容度，提高回收电量的效率。论文研究的微振动能量回收装置可以高效性地回收机械行业中的低频率的振动能，并且完全可以为机械系统中的传感检测与故障诊断系统提供电能，实现了能量的回收和利用，为机械行业的节省了大量的能源实现能量的再利用。
参考文献：
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